Классификация трещин чеканочного инструмента (штемпелей)

Информация может быть не достоверна

           Классификация трещин чеканочного инструмента (штемпелей )

Чеканка. Реплика трещины штемпеля

Чеканка(4) представляет операцию, при которой происходит образование выпукло-вогнутого рельефа на поверхности заготовок за счет местного изменения толщины материала и заполнения им рельефной полости чеканочного инструмента .

Чеканка, в настоящее время, осуществляется на холодноштамповочных кривошипно-коленных быстроходных прессах-автоматах, требующих высоких удельных давлений при небольших рабочих ходах ползуна .

Чеканка производится в закрытых штампах без вытеснения металла  из рабочей полости штампа .

В процессе работы пресса энергия  удара преобразуется в пластическую деформацию заготовки, в упругую деформацию штемпелей, а часть энергии - в тепловую , что приводит к нагреванию штемпелей .Упругая деформация штемпелей генерирует сжимающие и растягивающие напряжения, а материал заготовки, из-за свойств текучести, не только заполняет форму рельефа, но и перемещается в радиальном направлении от центра заготовки , что ведет к возникновению сил трения между поверхностями чеканочного инструмента и материалом заготовки .

Марки металлов из которых изготавливается рабочий чеканочный инструмент, в дальнейшем по тексту - штемпеля отличаются от марок металлов заготовок твердостью и пределом текучести .

Заготовки монет изготавливаются из латуни, бронзы, медно-никелевого сплава , а также стали и меди с нанесенными плакированными слоями мельхиора или латуни .

Среднее удельное давление прессования составляет 2000 МПа , соответственно рабочие штемпеля изготавливаются из инструментальных легированных сталей обладающих высокой износостойкостью типа Х12Ф1 . Твердость штемпелей после термообработки  59-61 HRC .

Высокое удельное давление прессования сопоставимо с пределом текучести для материала штемпелей . Снижение предела текучести материалов штемпелей , даже на небольшую величину, ведет к пластическим деформациям поверхности самих штемпелей при отсутствии заготовки .

Установленный ресурс штемпелей зависит от толщины и марки штампуемого материала, марки материала штемпелей, используемого оборудования и может составлять до 600 тыс.циклов .

На основании многолетних статистических данных причин отказа штемпелей ()- выработка установленного ресурса по количеству ударов составляет 38% , а появление трещин на штемпеле составляет 10%  .

При чеканке материал заготовки заполняет полость трещины штемпеля и на монете остается выпуклый оттиск трещины - реплика .

 Реплику трещины на монете будем использовать для классификации трещин штемпелей.

Скорость чеканки зависит от марки используемого оборудования и составляет от 3 монет в секунду, что позволяет с помощью реплик отследить историю развития трещин.

 В дальнейшем, ниже по тексту, реплика трещины на монете - трещина штемпеля .

Причины зарождения трещин в штемпелях: остаточные напряжения,  конструктивные и приобретенные концентраторы напряжений

Остаточные напряжения возникают при усилиях растяжения и сжатия  и сохраняются внутри изделия. после прекращения усилий .

Классификация уравновешивающихся остаточных напряжений впервые была приведена академиком Н.Н.Давиденковым (5). Рассмотрим классификацию в следующей формулировке :

- остаточные напряжения 1-ого рода (макроскопические), имеют ориентацию, связанную с формой изделия .

- остаточные напряжения 2-ого рода (микронапряжения, кристаллитные), распространяются на отдельные зерна металла или группу зерен
            - остаточные напряжения 3-его рода (субмикроскопические), относятся к искажениям атомной решетки кристалла .

Остаточные напряжения всех видов существуют совместно друг с другом, суммируются , достигая на некоторых участках критической величины , что может привести к зарождению микротрещин .

Существуют две физические причины возникновения микротрещин сходные с явлениями фазовых превращений : вакансионное зарождение и образование микротрещин

вследствие слияния дислокаций .

Внутренние напряжения в изделиях возникают на этапах термообработки, механообработки, шлифовки (где присутствуют процессы нагревания и охлаждения), а также в процессе чеканки - за счет упругой деформации генерирующей сжимающие и растягивающие напряжения .

При нарушениях технологических режимов изготовления (термообработки, шлифовки) внутренние напряжения возникают неконтролируемо и достаточно большой величины , что может привести к возникновению микротрещин или даже к разрушению заготовок

Местные изменения сплошности или однородности (концентраторы напряжений) приводящие к местному(локальному) повышению напряжений , также могут привести к зарождению микротрещин .

Понятие "концентрация напряжений" ввел профессор Инглис : концентрация напряжений - число, показывающее, во сколько раз локальное напряжение превышает среднее значение напряжений.

Инглис обратил внимание, что сквозной эллиптический вырез в пластине создает локальные напряжения на границе выреза во много раз превышающие средние напряжения на удалении от выреза :

σ_гр. =  σ_ср.  (1+2(a/b)) , где a,b - большая и малая полуоси эллипса    (1)

Причем локальные напряжения не связаны с размерами выреза, а зависят только от формы выреза .

К конструктивным граничным концентраторам напряжений отнесем кромки штемпеля .

К конструктивным поверхностным концентраторам напряжений отнесем : острые углы,  выточки, границы полостей выпукло-вогнутого изображения  .

Конструктивные поверхностные концентраторы напряжений находятся на различных высотах на выпукло-вогнутом изображении друг относительно друга и создают неоднородность .

К приобретенным концентраторам напряжений отнесем мелкие острые сколы приобретенные в результате усталости материала штемпелей .

Следовательно, причинами зарождения трещин могут быть высокие внутренние остаточные напряжения, конструктивные и приобретенные концентраторы напряжений , а также  комбинации этих факторов .

Рост трещин в результате ударного воздействия и ослабления поверхностного слоя

Микротрещины, зарождающиеся в изделиях, должны располагаться в соответствии с напряженным состоянием . При напряженном состоянии во всем объеме изделия следует ожидать глубоких трещин,  а при двухосном напряженном состоянии в поверхностном слое .

Штемпеля с трещинами выходящими на поверхность отбраковываются на этапах пооперационного технического контроля, а штемпеля с внутренними трещинами , с остаточными внутренними напряжениями различной величины могут быть использованы в качестве чеканочного инструмента .

Микротрещины размерами от 10^-9 до 10^{-7 м  могут существовать достаточно длительное время в указанном диапазоне. Существующая в теле трещина станет распространяться, если высвобождение энергии деформации на единицу длины трещины превзойдет работу на разрыв связей .}

Причинами распространения трещин являются сжимающие и растягивающие напряжения возникающие в процессе чеканки и ведущие к перераспределению внутренних напряжений штемпелей, которые могут достичь критичной величины на некоторых участках, а также обезуглероживание, со временем, поверхностного слоя штемпелей - приводит к снижению критичной величины работы на разрыв связей .Ослабление поверхностного слоя, со временем, происходит также из-за трения между поверхностями штемпелей и материалом заготовок .

Трещина после превышения размеров 10^{-7 м представляет собой мощный}

концентратор напряжений и может уже быстро расти за счет сконцентрированных напряжений  в процессе ударных воздействий при чеканке :

            Чем острее кончик трещины, тем большую величину напряжения она концентрирует, а с увеличением длины(глубины) увеличивается и скорость роста трещины  .

Существуют три основных типа  раскрытия трещин относительно фронта, с помощью которых или их комбинаций может быть описана любая трещина  :

            Рис.1 Типы раскрытия трещин относительно фронта

Стрелки на Рис.2 указывают направления сдвиговых напряжений .

Тип I - трещина нормального отрыва .

В дальнейшем будем называть - "отрыв"

 Тип II - трещина поперечного сдвига.

В дальнейшем будем называть такие трещины - "сдвиг"

Тип III - трещина продольного сдвига

В дальнейшем будем называть такие трещины - "ступенька"

Классификация трещин штемпелей

            Полный текст статьи, классификацию трещин штемпелей, каталог трещин  штемпелей можно получить по заявке по электронной почте указанной в http://inginer.ru/contacts.html

            Используемая литература :

1. ГОСТ 22472-87 Штампы для листовой штамповки. Общие технические условия

2. ГОСТ 5950-2000 Прутки, полосы, мотки из инструментальной стали. Общие технические условия

3. ГОСТ 25.506-85 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости ( вязкости разрушения ) при статистическом нагружениии

4. Орлов С.В., Чулкин С.Г., Жуков В.А. Деградация рельефа поверхности чеканочного инструмента, Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы Международной науч.-практ.конференции, СПб,Из-во Политех.ун-та, 2011г.

• 5. Давиденков Н.Н. К вопросу классификации и проявлении остаточных

напряжений, Заводская лаборатория , №3 , 1958г.